高压抗辐射横向扩散金属氧化物半导体的设计与研究

针对宇航级功率集成电路中横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件抗单粒子辐射性能低的问题,开展了高压LDMOS抗单粒子效应加固技术的研究,采用重掺杂P+well及漏区缓冲层结构设计了一种耐压为60 V的N型LDMOS器件。利用TCAD软件对重掺杂P+well及漏区缓冲层结构的加固机理进行仿真分析,并对回片器件利用Ta离子(线性能量转移,LET=79.2 MeV·cm^(2)/mg)进行辐照试验验证,结果表明,提高Pwell掺杂浓度和采用缓冲层结构可将高压LDMOS器件抗单粒子烧毁电压提升至60 V。

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET),在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上,提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS).这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题,使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿,而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用,提高N型缓冲层浓度,从而降低了器件的比导通电阻.利用三维仿真软件ISE分析表明,在漂移区长度均为10μm的情况下,P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右,较文献提出的N型缓冲层SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.

LDMOS射频功率放大器电热记忆效应研究

以横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)场效应管射频功率放大器为例,介绍了LDMOS FET电热效应模型,理论推导了LDMOS FET的结温与其耗散功率的量化关系。

高压LDMOS准饱和效应研究

借助于SILVACO TCAD仿真工具,研究了高压LDMOS电流准饱和效应(Quasi-saturation effect)的形成原因。通过分析不同栅极电压下漂移区的耗尽情况以及沟道与漂移区电势、电场和载流子漂移速度的分布变化,认为当栅压较低时,LDMOS的本征MOSFET工作在饱和区,栅压对源漏电流的钳制明显,此时沟道载流子速度饱和;而在大栅压下,随着沟道导电能力的增加以及漂移区两端承载的电压的增大,本征MOSFET两端压降迅速降低,器件不能稳定地工作在饱和区而进入线性工作区,此时沟道中的载流子速度不饱和。LDMOS器件的源漏电流的增大主要受漂移区影响,栅压逐渐失去对器件电流的控制,此时增大栅压LDMOS器件的源漏电流变化很少,形成源漏电流的准饱和效应。最后,从器件工作过程对电流与栅压的关系进行了理论分析,并从理论结果对电流准饱和效应进行了深入分析。

高功率微波作用下半导体器件失效和防护分析

高功率微波(HPM)通过直接或间接耦合产生的电热效应会干扰电子通信设备的工作,甚至造成不可逆转的损伤或损毁。总结了在高功率微波作用下器件失效性分析和高功率微波防护的国内外研究进展;求解了横向扩散金属氧化物场效应管(LDMOSFET)、异质结双极型晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率脉冲注入下的电热应力场分布以及阈值功率;提出了用瞬态稳压抑制器(TVS)二极管设计微波防护电路的方法。最后分析了当前研究的局限性以及后续研究方向,为电路系统的设计和安全性评估提供参考。

阶梯氧化层新型折叠硅横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需的低功耗横向功率器件,提出了一种具有阶梯氧化层折叠硅横向双扩散金属-氧化物-半导体(step oxide folding LDMOS,SOFLDMOS)新结构.这种结构将阶梯氧化层覆盖在具有周期分布的折叠硅表面,利用阶梯氧化层的电场调制效应,通过在表面电场分布中引入新的电场峰而使表面电场分布均匀,提高了器件的耐压范围,解决了文献提出的折叠积累型横向双扩散金属-氧化物-半导体器件击穿电压受限的问题.通过三维仿真软件ISE分析获得,SOFLDMOS结构打破了硅的极限关系,充分利用了电场调制效应、多数载流子积累和硅表面导电区倍增效应,漏极饱和电流比一般LDMOS提高3.4倍左右,可以在62 V左右的反向击穿电压条件下,获得0.74 mΩ·cm^2超低的比导通电阻,远低于传统LDMOS相同击穿电压下2.0 mΩ·cm^2比导通电阻,为实现低压功率集成电路对低功耗横向功率器件的要求提供了一种可选的方案.

960~1400 MHz宽带功率放大器设计

基于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件,研制了一款应用于L波段的宽带射频功率放大器。该放大器共由2级放大级联组成,为了实现宽带以及良好的输出驻波,末级功放采用平衡式拓扑电路结构;级间匹配网络使用微带线及电容混合匹配方法实现宽带匹配。最终实测数据如下:频率覆盖0.96 GHz~1.4 GHz,功放整体输出功率达到50 dBm(100 W),功率增益大于30 dB,效率大于45%。功率回退8 dB,输出功率42 dBm时,邻信道功率比(ACPR)为-40 dBC。指标表明功放模块能够很好地应用于雷达和无线通信发射机中。

Si/SiC超结LDMOSFET的短路和温度特性

Si/SiC超结横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(SJ-LDMOSFET)能有效改善Si SJ-LDMOSFET阻断电压低、温度特性差和短路可靠性低的问题。采用TCAD软件对Si SJ-LDMOSFET和Si/SiC SJ-LDMOSFET的短路和温度特性进行研究。当环境温度从300 K上升到400 K时,Si/SiC SJ-LDMOSFET内部最高温度均低于Si SJ-LDMOSFET,表现出良好的抑制自热效应的能力;Si/SiC SJ-LDMOSFET的击穿电压基本保持不变,且饱和电流退化率较低。发生短路时,Si/SiC SJ-LDMOSFET内部最高温度上升率要明显小于Si SJ-LDMOSFET。在环境温度为300 K和400 K时,Si/SiC SJ-LDMOSFET的短路维持时间相对于Si SJ-LDMOSFET分别增加了230%和266.7%。研究结果显示Si/SiC SJ-LDMOSFET在高温下具有更好的温度稳定性和抗短路能力,适用于高温、高压和高短路可靠性要求的环境中。

SiC功率LDMOS器件发展现状及新进展

集成化和小型化是未来电力电子技术的发展方向,SiC-横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件兼有SiC材料优势和LDMOS器件优势,击穿电压高、比导通电阻低、易与其他器件集成,在单片功率集成和小型化应用中起着重要的作用,但受限于晶圆材料和部分工艺加工技术而发展有限。综述了国内外SiC晶圆材料和SiC-LDMOS器件结构的发展现状,着重从衬底材料、晶体取向和器件结构优化方面阐述了SiC-LDMOS的研究进展,指出了SiC-LDMOS全面发展的瓶颈所在,展望了未来SiC-LDMOS的发展方向。

P波段450W硅LDMOS脉冲功率器件的研制

报道了P波段450 W硅LDMOS器件的研制结果。所研制器件采用沟槽技术实现背面源结构,采用场板技术提高击穿电压并降低栅漏电容,采用多晶硅金属硅化物结构降低栅阻。研制结果表明,在漏源工作电压36 V,脉宽20 ms,占空比35.7%的测试条件下,485～606 MHz全带内输出功率达到450 W,增益大于18 dB,效率大于60%。

硅LDMOS射频功率器件的发展历程与趋势

从芯片结构的变化以及可靠性的提升角度简述了LDMOS射频功率器件的发展历程及趋势,给出了LD-MOS的最新研制结果。现在LDMOS射频功率器件在向高工作电压、高输出功率、高可靠以及脉冲应用等方向发展。

高压LDMOS场极板的分析与设计

场板是高压LDMOS中普遍使用的一种结终端技术,对单阶梯LDMOS场板的长度、其下方氧化层厚度以及场氧侵蚀厚度等参数进行了模拟和分析,在此基础上设计了一种新型体硅双阶梯场板LDMOS,并对其具体参数进行了细致的模拟和分析。模拟结果表明,双阶梯场板LDMOS的击穿电压比单阶梯场板LDMOS提高了15.3%,导通电阻降低了17.1%,电流驱动能力也提高了8.5%。

LDMOS微波功率放大器分析与设计

在对晶体管绝对稳定性分析的基础上,根据负载牵引得到的晶体管的输入输出阻抗运用共轭匹配,成功设计出2级LDMOS微波功率放大器,P-1大于45 dBm,在1580-1650 MHz功率增益30 dB以上,PAE大于30％。同时,得到了最终的版图并且运用MOMENTUM对它进行了2．5D仿真,得到了理想的结果。

高压功率LDMOS的场极板击穿电压分析

提高 LDMOS的一个关键步骤是加场极板以降低其表面击穿电压。文中分析了加场极板后的 LDMOS击穿电压模式 ,指出了场极板的分压作用和场极板边界的影响 。

新型的功率器件——射频LDMOS

射频LDMOS功率器件与普通双极型功率器件相比,结构合理、增益高、热稳定性好、性价比高,广泛应用于通信、广播、航空、军事电子等领域。文中对射频LDMOS功率器件的发展趋势、应用前景及主要性能作了较详细的分析,通过实验得出结论,LDMOS功率器件可用于固态发射机中。

基于电荷泵法的N-LDMOS界面态测试技术研究

详细研究了高压N-LDMOS器件的电荷泵(CP)测试技术,指出了高压N-LDMOS器件的特殊结构对其CP测试结果的影响,并解释了高压N-LDMOS器件的CP曲线不饱和的原因,同时对由于不同的源漏偏压造成的高压N-LDMOS器件CP曲线的变化进行了深入的理论分析。这些结论可以为CP法测量界面态密度提供实验指导,同时为更加准确地分析高压LDMOS器件的CP测试曲线提供理论指导。

钝化层质量对高压功率器件可靠性的影响

针对钝化层质量对高压VDMOS器件可靠性的影响做了研究。通过流片生产中的产品遇到的实际问题,分析了高压VDMOS器件的钝化层可能存在的离子或者受热应力对器件可靠性的不良影响,并在实际工艺和芯片设计上作出了相应的改进,流片验证可靠性得到了有效的改善。

新型缓冲层分区电场调制横向双扩散超结功率器件

为了突破传统横向双扩散金属-氧化物-半导体器件(lateral double-diffused MOSFET)击穿电压与比导通电阻的极限关系,本文在缓冲层横向双扩散超结功率器件(super junction LDMOS-SJ LDMOS)结构基础上,提出了具有缓冲层分区新型SJ-LDMOS结构.新结构利用电场调制效应将分区缓冲层产生的电场峰引入超结(super junction)表面而优化了SJ-LDMOS的表面电场分布,缓解了横向LDMOS器件由于受纵向电场影响使横向电场分布不均匀、横向单位耐压量低的问题.利用仿真分析软件ISE分析表明,优化条件下,当缓冲层分区为3时,提出的缓冲层分区SJ-LDMOS表面电场最优,击穿电压达到饱和时较一般LDMOS结构提高了50%左右,较缓冲层SJ-LDMOS结构提高了32%左右,横向单位耐压量达到18.48 V/μm.击穿电压为382 V的缓冲层分区SJ-LDMOS,比导通电阻为25.6 mΩ·cm2,突破了一般LDMOS击穿电压为254 V时比导通电阻为71.8 mΩ·cm2的极限关系.

微波功率LDMOS的工艺仿真及研制

利用工艺仿真软件Tsuprem 4,针对氧化、退火等工艺进行仿真及校准,并据此对LDMOSFET进行了设计及工艺仿真。结合Medici得到LDMOSFET的结构参数以及相应电学参数,与研制结果进行了比较,仿真结果与实际研制结果吻合较好,实现了在工作频率1 GHz,VDD=28 V条件下,输出功率Po=10 W,Gp=10 dB,η=55%的良好性能。

基于双匹配的高效大功率Doherty功率放大器

针对Doherty功率放大器传统设计方法的不足,提出了一种双匹配设计技术,并给出了实现方法。基于LDMOS器件,用该方法设计了一款饱和功率为55 dBm的Doherty放大器。仿真结果显示,与未采用双匹配法相比,该Doherty放大器的效率改善更好。功率附加效率在6 dB回退点比平衡式放大器改善15%,在回退约8 dB的区间上,整体效率都在40%以上。实测结果表明,该放大器增益约12 dB,在输出回退6 dB的区间上,功率附加效率改善10%。